Ricreare il Big Bang in miniatura con atomi di ossigeno

Un viaggio alle origini del tempo

Immagina di poter viaggiare indietro nel tempo, fino al primissimo istante della nascita del nostro universo. Subito dopo il Big Bang, lo spazio non conteneva stelle, pianeti e nemmeno atomi ordinari come quelli che ci circondano oggi. C’era invece una zuppa incredibilmente calda e densa di particelle elementari libere, chiamata plasma di quark e gluoni. Per decenni, gli scienziati hanno pensato che per ricreare questo stato esotico della materia servissero macchinari colossali e collisioni di nuclei pesantissimi, come quelli dell’oro.

Oggi, le nuove scoperte dell’esperimento STAR presso il acceleratore RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) negli Stati Uniti hanno dimostrato che non è così. I ricercatori sono riusciti a produrre questa “materia primordiale” facendo collidere minuscoli nuclei di ossigeno quasi alla velocità della luce. Questa scoperta stabilisce un nuovo limite inferiore per le dimensioni e l’energia necessarie per generare il plasma, aprendo una finestra inedita sulla comprensione dell’evoluzione cosmica.

Come funziona la macchina del tempo subatomica

Per capire come gli scienziati riescano a ricreare le condizioni dell’universo neonato, bisogna osservare cosa accade quando due frammenti di materia si scontrano a velocità folli.

• Accelerazione estrema: I nuclei di ossigeno vengono accelerati all’interno di un anello sotterraneo fino a viaggiare a una velocità vicinissima a quella della luce.

• Collisione frontale: Quando due nuclei si scontrano con energia immensa, i loro confini interni si frantumano completamente.

• Liberazione subatomica: I quark (i mattoni fondamentali di protoni e neutroni) e i gluoni (le particelle che li tengono uniti) si liberano dai loro confini abituali.

• Conversione energetica: Sfruttando la celebre formula di Einstein $E=mc^2$, l’energia cinetica dell’urto si trasforma in materia, creando migliaia di nuove particelle e una minuscola goccia di plasma caldissimo.

Questa goccia primordiale è incredibilmente effimera. Vive infatti per meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo prima di raffreddarsi e ricombinarsi in particelle familiari. Poiché svanisce all’istante, i fisici non possono osservarla direttamente, ma devono studiare i frammenti che riescono a fuggire dalla zona d’urto.

Il fenomeno dello spegnimento dei getti

Per scovare la presenza del plasma di quark e gluoni, i ricercatori cercano un indizio preciso chiamato jet quenching (spegnimento o estinzione dei getti). Quando due particelle interne si scontrano, generano spesso due flussi opposti di energia altamente concentrata, simili a proiettili subatomici.

Se questi getti si formano vicino al bordo della zona di collisione, uno di essi deve farsi strada attraverso il denso plasma circostante.

• L’interazione con il plasma agisce esattamente come un proiettile che attraversa l’acqua.

• A causa della resistenza e degli urti continui con gli altri quark e gluoni, il getto perde energia.

• Misurando quanta energia manca nelle particelle in fuga, gli scienziati possono confermare la presenza del materiale denso.

Nelle recenti collisioni di ossigeno analizzate dal team di STAR, i ricercatori hanno rilevato una soppressione del 20% delle particelle ad alta energia. Questa percentuale, sebbene inferiore a quella osservata con nuclei di oro molto più grandi, fornisce la prova inequivocabile che il plasma di quark e gluoni si è formato anche in questo sistema ridotto.

Il confronto tra grandi e piccoli laboratori

La ricerca sul plasma primordiale non si ferma negli Stati Uniti. Esiste infatti una straordinaria opportunità di collaborazione e confronto con il CERN di Ginevra, sede del Large Hadron Collider (LHC).

• RHIC (Stati Uniti): Ha condotto esperimenti con nuclei di ossigeno a un’energia di collisione di 200 miliardi di elettronvolt (GeV), concludendo la sua storica attività operativa nel febbraio del 2026.

• LHC (Europa): Ha realizzato collisioni di ossigeno a energie superiori a 5.000 GeV, generando un sistema molto più caldo e denso.

Unendo i dati delle due strutture, i fisici possono esplorare i confini estremi della materia. Mentre le energie elevatissime del CERN facilitano la creazione del plasma, le energie inferiori e i sistemi più piccoli del RHIC aiutano a determinare con precisione millimetrica il limite esatto oltre il quale la materia primordiale smette di formarsi.

Approfondimenti tecnici e riferimenti scientifici

Per una comprensione più approfondita e rigorosa dei fondamenti teorici e sperimentali di questa ricerca, si fa riferimento alla pubblicazione originale e ai dati tecnici associati disponibili al link ufficiale http://dx.doi.org/10.1103/9w2y-bz9n.

• Sezione Trasversale e Geometria d’Urto: Nelle collisioni nucleari a relativistic energy, la sezione d’urto geometrica $\sigma_{inel}$ determina la probabilità di interazione tra i nuclei proiettili ($A$ e $B$). Per i nuclei di ossigeno ($^{16}O$), la forma relativamente sferica e la simmetria spaziale permettono di calcolare con precisione il parametro d’impatto $b$, isolando le collisioni centrali da quelle periferiche.

• Fattore di Soppressione Nucleare: L’effetto di jet quenching viene quantificato mediante il fattore di modificazione nucleare $R_{AA}$, definito matematicamente come:

  $$R_{AA}(p_T, \eta) = \frac{d^2N_{AA}/dp_T d\eta}{T_{AA}(b) \cdot d^2\sigma_{pp}/dp_T d\eta}$$

  Dove $N_{AA}$ rappresenta la resa delle particelle nelle collisioni nucleari, $\sigma_{pp}$ la sezione d’urto nelle collisioni protone-protone e $T_{AA}$ la funzione di spessore nucleare normalizzata. Una riduzione di $R_{AA}$ al di sotto dell’unità indica una forte perdita di energia partonica nel mezzo denso.

• Idrodinamica Relativistica e Viscosità: Il comportamento del plasma come liquido quasi perfetto è descritto dalle equazioni dell’idrodinamica viscosa relativistica, dove il rapporto tra la viscosità di shear $\eta$ e la densità di entropia $s$ raggiunge valori vicini al limite quantistico inferiore stabilito dalla teoria delle stringhe ($\eta/s \approx 1/4\pi$).

• Rilevatori e Collaborazioni: Le misurazioni dell’esperimento STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) si basano su camere a proiezione temporale (TPC) e calorimetri elettromagnetici ad alta precisione, supportati dalle analisi computazionali avanzate dell’Open Science Grid e del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

L’esperimento STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider presenta misurazioni delle correlazioni tra adroni carichi di innesco ad alto impulso trasverso ($7 < p_{\mathrm{T}} < 30\ \mathrm{GeV}/c$) con adroni carichi di rinculo ($3 < p_{\mathrm{T}} < 7\ \mathrm{GeV}/c$) o getti di particelle cariche ($p_{\mathrm{T,jet}} > 8\ \mathrm{GeV}/c$) in collisioni $\mathrm{O}+\mathrm{O}$ selezionate in base all’attività dell’evento a $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}} = 200\ \mathrm{GeV}$. Le rese degli adroni e dei getti associati, normalizzate per il numero di adroni di innesco, sono soppresse di circa il $20\%$ nelle collisioni ad alta attività di evento rispetto a quelle a bassa attività, escludendo l’assenza di soppressione con alta significatività. Questa soppressione corrisponde a uno spostamento di $p_{\mathrm{T}}$ pari a $0.70 \pm 0.15(\text{stat.}) \pm 0.10(\text{syst.})\ \mathrm{GeV}/c$ per i getti di particelle cariche a raggio largo ($R = 0.5$), quantificandone la ridistribuzione energetica dovuta alle interazioni nello stato finale. Queste misurazioni forniscono una forte evidenza dello spegnimento dei getti (jet quenching) nelle collisioni $\mathrm{O}+\mathrm{O}$ a $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}} = 200\ \mathrm{GeV}$, offrendo nuovi spunti sulla formazione del plasma di quark e gluoni in piccoli sistemi di collisione.

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